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Sulle singolarità delle frontiere orientate di misura minima

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(1)

A NNALI DELLA

S CUOLA N ORMALE S UPERIORE DI P ISA Classe di Scienze

D IONISIO T RISCARI

Sulle singolarità delle frontiere orientate di misura minima

Annali della Scuola Normale Superiore di Pisa, Classe di Scienze 3

e

série, tome 17, n

o

4 (1963), p. 349-371

<http://www.numdam.org/item?id=ASNSP_1963_3_17_4_349_0>

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(2)

ORIENTATE DI MISURA MINIMA (1)

Nota di DIONISIO TRISCARI

(Messina)

Nella memoria

[5]

E. De

Giorgi

ha iniziato lo studio dei

problemi

di

regolarizzazione

delle frontiere orientate di area

minima,

ed ha stabilito che

una

parte

della frontiera

(la frontiera ridotta)

è una

ipersuperficie

localmente

regolare ; (cfr. [5],

Teor.

VI,

pag.

56).

In

questo

lavoro viene

ripresa

tale

ricerca,

dando alcune condizioni necessarie per 1’esistenza di eventuali

punti singolari.

Il risultato

principale

è il Teorema XVIII in cui si prova che l’esistenza di

punti singolari

è le-

gata

a

quella

di coni

singolari

di misura minima.

1. - Per comodità del lettore vengono

qui riportati

teoremi e defini-

zioni di

[4], [5]

cui si fa riferimento nella

presente

nota e sono stabilite alcune notazioni che saranno

seguite

in tutto il resto del lavoro.

Per

ogni

intero

positivo n

sarà indicato con Rn lo

spazio

euclideo n-di-

mensionale ;

in

particolare

R = R1 denoterà la retta reale. Penseremo sem-

pre lo

spazio

Rn dotato di struttura di

spazio

vettoriale :

precisamente

dati

due

punti

x =

(Xi’

..., =

(Yl

... ,

Yn)

porremo :

dati un

punto X=(X1’

...,

xn)

ed un numero reale a porremo :

Pervenuto alla Redazione il 30 Novembre 1963.

(í) Lavoro eseguito nell’ambito del gruppo di ricerca n. 9 del Comitato Nazionale per la Matematica del C.N.R., nell’anno accademico 1962-63.

(3)

dati due

punti,

i indicheremo il loro

prodotto

scalare con il simbolo :

porremo infine :

Data una funzione

f (x)

derivabile in un

aperto

A porremo :

date due

funzioni f,

g definite in Rn indicheremo il loro

prodotto

di compo- sizione con il simbolo :

Conformemente alle convenzioni usate in

[2], [3]

converremo

che, ogni qualvolta

si

parlerà

di insiemi contenuti in Rn e di funzioni ivi

definite,

intenderemo riferirci sempre ad insiemi di Borel ed a funzioni di Baire.

Per

ogni

insieme E c Rn indicheremo con

7E

la sua frontiera e con

.E

=

(E U

la sua

chiusura ;

per

ogni punto

x E Rn e per

ogni

numero

positivo

y indicheremo

rispettivamente

con i simboli :

l’ipersfera aperta

e

l’ipersfera

chiusa di centro x e

raggio e .

Se x coincide

con

l’origine

delle

coordinate,

in

luogo

di

A~ (x), °e (x),

scriveremo

più

bre-

vemente

Ae,

9

°e.

1

Detta mis E la misura secondo

Lebesgue

del

generico

insieme E C

Rn,

5

indicheremo con il simbolo :

la misura

dell’ipersfera

di R’~ di

raggio

unitario.

Dato un certo numero di relazioni a,

fl,

y, .., indicheremo con il simbolo :

(4)

l’insieme

degli

elementi x che verificano

queste relazioni ;

dati un insieme E

ed una funzione

f (x)

definita in

E,

indicheremo con il simbolo :

l’immagine

di .E mediante

f,

cioè l’insieme descritto da

f (,~)

al variare di x

in E.

Per

ogni

insieme E C Rn e per

ogni

intero k

&#x3E; 0,

indicheremo con il simbolo

Hk (.E )

la misura k-dimensionale di Hausdorff dell’insieme

E,

che è

data come è noto

(cfr. [4~~

2,

3)

dalla formula :

La misura di Hausdorff è una funzione d’insieme

completamente

additiva e

mai

negativa (eventualmente infinita)

e

per k

= n coincide con l’ordinaria misura di

Lebesgue.

Dalla

(1.1)

si vede

poi

subito che se per un certo k risulta finita la misura

gk (E),

allora :

Si verifica altres che per varietà sufficientemente

regolari

la misura di

Hausdorff coincide con la misura elementarmente

definita ; precisamente

se

.T è un intervallo chiuso di

.Rk ~ (y)~ ... ~ fn (y)

sono n funzioni definite in T

ivi uniformemente

Lipschitziane (ipotesi

banalmente verificata

quando le f

sono continue con le derivate

parziali prime)

e la

corrispondenza f

che al

generico punto

y E T associa il

punto f (y)

=

( f1 (y),

...,

fn (y))

E Rn è

biunivoca,

allora l’insieme

_E= f (T)

ha una misura di Hausdorff fornita dalla:

ove

gli

elementi della matrice

quadrata 1B

sono dati dalla :

Si definisce

poi

la misura

go (E~

nel modo

seguente :

se E è formato

da un numero finito di

punti, Ho (E)

coincide con tale numero ; altrimenti è :

(5)

Data una funzione vettoriale d’insieme :

definita per

ogni

insieme di Borel di

Rn ,

@

completamente additiva, limitata,

la sua variazione totale :

è pure una funzione di insieme

completamente

additiva e

limitata ;

porremo

per

convenzione, per

c Rn ed

f (x)

definita in E :

Infine,

per

ogni

insieme E C

Rn , indicheremo

con il

simbolo (x, E)

la funzione caratteristica di

E,

cioè la funzione che vale 1 in E e vale 0

in Rn - E.

2. - Richiamiamo ora, con lievi ritocchi

formali,

alcune nozioni conte- nute in

[2], [3], [7].

Sia E

C Rn

e sia ~

2 ;

per

ogni

numero

positivo A poniamo :

esiste

allora,

finito o

infinito,

il limite :

detto

perimetro

di E.

Vale il

seguente (2)

TEOREMA I. Condizione necessaria e

sufficiente perchè P (.E) sia finito

è

che esista una

funzione

vettoriale di insieme

completamente

additiva e limitata

«

(B), de, finita

per

ogni

insieme B C

Rn, verificante

le

formule

di Gauss-Green

(2) Cfr.

[2],

Teoremi II e IV ;

[4],

pag. 6, Teor. I.

(6)

generalizzate :

per

ogni funzione

g

(x) de, finita

in

Rn,

@ ivi continua insieme alle derivate par- ziali

_prime

ed a

supporto compatto.

In tal caso risulta :

La condizione

(2.3) può esprimersi

dicendo che la misura vettoriale a è il

gradiente,

nel senso della teoria delle

distribuzioni, di Q (x, .E) ; esprimeremo questo

fatto

ponendo

per convenzione :

Il

perimetro

P

(E)

è nna funzione semicontinua

rispetto

alla convergenza in

media ; precisamente

vale il

seguente (3)

TEOREMA 11. Sia

Eh

una successione di insiemi di

Rh ,

9 .E un insieme di

Rn

verificate

la :

(3) Cfr.

[2],

Teorema VII ;

(4),

pag. 7, Teor. II.

(7)

Allora si ha :

Fra le successioni

approssimanti

un insieme E hanno un

particolare

inte-

resse

quelle

costituite da domini

poligonali.

Precisamente,

detto àominio

poligonale ogni

insieme E C Rn che sia la

chiusura di un

aperto

e la cui frontiera

7E

sia contenuta nell’unione di

un numero finito di

iperpiani

di

Rn,

vale il

seguente

TEOREMA III. Se E ha

perimetro finito,

esiste una successione di domini

poligonali veri, ficanti

le condizioni :

Gli insiemi

approssimabili

in media mediante domini

poligonali

aventi pe-

rimetro limitato sono stati introdotti da R.

Caccioppoli

in

[1 ] ;

tali

insiemi,

per i teoremi II e

III,

sono tutti e soli

gli

insiemi di

perimetro finito,

che

sono chiamati

perciò

insiemi di

Caccioppoli.

Per le

applicazioni

al calcolo delle

variazioni,

oltre al teorema di se-

micontinuità II interessa il

seguente

teorema di

compattezza (4) :

TEOREMA IV. Dati un insieme limitato L C

Rn,

urc numero

ed una successione

(Eh

di insiemi

verificante

le condizioni :

esistono un insieme .E C Rn ed una successione subordinata alla succes-

sione

(-Eh),

tali che risulti :

Nello studio delle

proprietà

locali delle frontiere di insiemi di

Cacciop- poli

interessa il

seguente (5)

TEOREMA V. Sia E C Rn un insieme di

Caccioppoli

e

sia ~

un

_punto

di R.

Allora,

per

ogni

numero

_positivo

e, l’insieme E fl

Ae (~)

è un insieme di

(4) Cfr.

[3],

pago 98, Teor I;

[4],

pag. 8, Teor. IV, (5) Cfr.

[3],

pag. 100, Lemma III ; l4]. pag. 9 Teor. V.

(8)

Caccioppoli e

si ha

inoltre,

per

ogni

B C Rn e per

quasi

tutti i numeri po-

sitivi p :

ove v

(x)

è il versore della normale interna a

(~).

Notiamo che dalla

(2.11)

discende immediatamente :

Alla

(2.11) può

darsi la, forma

più suggestiva :

Con

procedimento

del tutto

analogo

a

quello seguito

per provare le

(2.11), (2.12)

si provano le :

Dal Teorema V segue pure

facilmente, (cfr.

De

Giorgi [5], (57),

pag.

16) :

per

quasi ogni

~O

&#x3E;

0.

Dato un insieme di

Caccioppoli

.E C diremo

frontiera

ridotta di

.E ed indicheremo con il simbolo l’insieme dei

punti ~

che verificano

le condizioni

seguenti :

(9)

1)

per

ogni

numero

positivo p

risulta:

2)

esiste determinato il limite :

3)

risulta :

Tra le

proprietà

della frontiera ridotta ricordiamo

quelle

fornite dai

seguenti

teoremi

(6) :

TEOREMA VI. Per

ogni

insieme di

Caccioppoli

.E C Rn e

ogni punto

~

E

9~*

.E risulta :

TEOREMA VII. Per

ogni

insieme di

Caccioppoli

.E e per

ogni

insieme

B contenuti in

Rn,

risulta :

ove y

(x)

è data della

(2.18).

(6) Cfr

[4],

pag. 11, Teor. VI, VII.

(10)

Per evitare di scrivere il limite

(2.18)

e

gli analoghi

limiti che ci dan-

no le

componenti

v1

(x),

... , vn,

(x)

del vettore v

(x),

porremo per convenzione :

per

Tale convenzione è

giustificata

osservando che dalle

(2.22)

segue

sabito,

per

ogni

B e per

ogni

funzione

f (x)

tale che

gli integrali seguenti

abbia-

no senso:

Notiamo inoltre che dalle

(2.21)

si deduce subito la :

3. - Diamo ora alcune definizioni e risultati relativi alle frontiere orientate di misura minima.

Conservando le notazioni introdotte in

[4],

consideriamo due insiemi

E,

L dello

spazio

Rn

(con u h 2) ; supponiamo

che .E sia un insieme di

Caccioppoli,

cioè abbia

perimetro P (.E ) finito,

ed introduciamo tre funzioni della

coppia E,

L di cui faremo uso nel

seguito.

Poniamo per definizione :

Diremo che l’insieme .E ha

frontiera

orientata di misura minima su L

se risulta :

(11)

cioè :

Dalle

(3.1 )~ (3.3)

segue

immediatamente,

per

e

quindi,

essendo evidentemente :

se un insieme ha frontiera orientata di misura minima su .L’ ciò accade anche per

ogni

L CL’.

Dal teorema

II,

3 di

[4]

si deduce subito

che,

se l’insieme L è

chiuso,

risulta :

Un teorema di esistenza di insiemi aventi frontiera orientata di mis ura minima è il

seguente :

TEOREMA VIII. Dati in Rn un insieme di

Caccioppoli

E ed un insieme

limitato L esiste un insieme di

Caccioppoli

M

verificante

le condizioni :

l’insieme M ha

frontiera

orientata di misura minimia su L.

I

seguenti

teoremi

permettono

di caratterizzare il

comportamento

delle

frontiere di area minima nell’intorno di un loro

punto.

TEOREMA IX

(7).

Dati in R’n due insiemi di

Caccioppoli E,

F si per

quasi

tutti i numeri

_positivi

o :

(~) Cfr.

[5],

pag. 5, Teor. I.

(12)

TEOREMA X.

(8)

.Dato un insieme di

Caccioppoli

.E C Rn esiste un insie-

me N C R di misura lineare

nulla,

tale

che,

se pt e, r sono tre numeri veri-

ficanti

le :

si ha :

TEOREMA XI.

(9)

Sia E un insieme di

Caccioppoli

di R?2 e siano r, p, (2, q,

quattro

numeri

veri, ficanti

le :

risulta allora :

TEOREMA XII.

(1°)

Sia E un insieme di

Caccioppoli

ed L un

aperto

di

Rn,

7 tali che risulti :

(8) cfr.

[5],

pag. 14, Teor. V.

(9) Cfr.

[5J,

pag. 15, Teor VI.

(1°) Cfr.

[5],

pag. 17, Teor. VII.

(13)

Sia e

un

punto

interno ad L.

Allora,

per

ogni

numero

positivo

e minore della distanza

di ~

da Rn -

L,

risulta :

se

poi

oltre alla

(3.13)

vale la :

TEOREMA XIII.

(12)

Sia E un insieme di

Caccioppoli

di

Rn, (con n &#x3E; 2),

o un numero

positivo, $

un

punto

di

Rn ;

siano

soddisfatte

le :

ove o

(n)

è una costante

dipendente

solo dalla dimensione n dello

spazio.

Risulta allora :

ed il vettore :

è una

funzione

continua in :

4. - Frontiera essenziale. Dato un insieme .E C Rn diremo che un

punto

~

E Rn

appartiene

alla frontiera essenziale di

E,

se vale la

seguente

relazione :

Osserviamo che nwn è la misura [n - 1)-dimensionale della frontiera della sfera unitaria di Bn .

(12) Cfr.

[5],

pag. 54, Teor. V.

(14)

Indicheremo con

%

.E la frontiera essenziale di E.

Vale il

seguente

TEOREMA XIV. Se .E C Rn è un insieme di

Caccioppoli,

risulta : t

DIMOSTRAZIONE. Cominciamo con il provare che :

Sia x un

punto

di Rn non

appartenente

ad

9g E;

esisterà allora un nu-

mero p che verifica una delle due condizioni :

Nell’ipotesi (4.4)

per

ogni funzione g (x)

continua con le derivate par- ziali

prime

in Rn ed il cui

supporto

sia contenuto in

Ae

risulta :

e

quindi

per l’arbitrarietà

di g (x),

avremo :

Ricordando la definizione di frontiera ridotta

(’3)

segne immediatamente la

(4.3).

In maniera

analoga

si

procede nell’ipotesi (4.5).

Proviamo ora che :

Dato un

punto

x di Rn non

appartenente

ad

F*

E

possiamo

trovare un nu-

mero e tale che :

(13) t;fr. (2.17), (2.18), (2.19).

.5. Annali della Scuola Norm. Sup. - Pisa.

(15)

allora,

per

ogni g (x)

continua in R’~ con le sue derivate

prime

ed a sup-

porto

contenuto in

Ae (x)

avremo, ricordando le formule di Gauss-Green nella forma

(2.24) :

La

(4.10)

ci assicura

.E)

è in

quasi

ovunque

uguale

ad una

costante e

quindi

il teorema è dimostrato.

5. - Traslazione e dilatazione. Dato un vettore a E Rn indicheremo con ra la trasformazione

(traslazione)

che al

generico punto

x E Rn associa il

punto :

Dalle definizioni contenute in

[4], [5]

segue immediatamente che se E ha

perimetro finito,

ha pure

perimetro

finito l’insieme 7:a E.

Si verificano subito le relazioni :

Dato un numero e

&#x3E;

0 indicheremo

con b,

la trasfomazione

(dilatazione)

che al

generico punto

(16)

associa il

punto :

Si verificano subito le relazioni :

6. - Consideriamo un insieme di

Caccioppoli

E

c Rn ;

diremo che un

punto

x E

9g

E è un

punto singolare

per la frontiera orientata di E se :

Dalle

(5.8), (5.9)

segue che, se x è

punto singolare

per la frontiera orientata di

E,

ra x è

punto singolare

per la frontiera orientata di ra E.

Vogliamo

ora dare delle condizioni necessarie

affinchè,

dato un insieme

di

Caccioppoli

E C Rn ed un

aperto

A c

Rn,

l’intersezione E

n A contenga punti singolari.

Possiamo supporre che uno di tali

punti

coincida con l’ori-

gine, poichè

in tal caso

possiamo

sempre ricondurci mediante una trasla- zione.

Cominciamo con il provare i

seguenti

lemmi.

LEMMA I. Dato un insieme di

Caccioppoli

.E C R’n per

ogni

e risulta :

(17)

DIMOSTRAZIONE. Per il Teor.

V,

esiste una successione di numeri po- sitivi

(gh)

verificante le :

Dalle

(6.3), (6.4)

e dal Teor.

Il,

segue la

(6.2).

c.v.d.

LEMMA Il. Sia E un insieme di

Caccioppoli,

A un

aperto

di Rn conte- nente

l’origine

e sia :

Sia una successione di numeri

positivi verificaute

la condizione :

Risulta

allora,

per

ogni

DIMUSTROZIONE. Cominciamo con l’osservare che per

l’ipotesi

e per la

(5.13)

abbiamo :

Essendo ed essendo

l’origine

interna ad

A, per h

abbastanza

grande

avremo :

(14) Dire che una proprietà è verificata per h abbastanza grande significa che esiste

un intero v tale che la proprietà è verificata per ogni h &#x3E; v.

(18)

Dalla

(6.9)

e dalla

(6.8)

e tenendo conto della

(3.14)

del Teor. XII si ha :

e

quindi

per il Lemma I segue :

da cui la

(6.7).

c.v.d.

Dal Lemma

IL,

per il Teor.

~v,

segue

LEMMA. II1. Sia _E un insieme di

Cacccioppoli

di A un

aperto

di Rn

contenente

l’origine

e sia :

Sia una successione di numeri

positivi verificante

la condizione :

Sia z

~&#x3E; 0 ;

esiste allora una successione

J

subordinata alla successione

J

tale che la successione di insiemi

converga in media

(cioè

convergano in

Li

le

rispettive

funzioni

caratteristiche).

7. -

Vogliamo

ora studiare le

proprietà

del limite della successione

(6.12).

A tale scopo supporremo, in tutti i teoremi

seguenti,

che E sia un

insieme di

Caccioppoli,

A un

aperto

di

Rn, 1 Q , 1

una successione di numeri

positivi

verificante la condizione :

sia inoltre :

Esista il limite L della successione cioè si abbia :

(19)

Snpporremo

inoltre che

l’origine

0 dello

spazio

Rn verifichi la condizione :

Proviamo ora i

seguenti

teoremi.

TEOREMA XV. _Dalla successione

può

estrarsi una successione su-

bordinata tale

che,

per

quasi

tutti i numeri

positiroi

t T risulti :

DIMOSTRAZIONE, Per le

(7.3) può

trovarsi una successione subordinata

19’)

verificante le :

Integrando

per serie

(la

cosa è

possibile

trattandosi di termini non nega-

tivi)

si

ha : (15)

(15) Per funzioni reali estese non negative f (x), l’integrale dx è definito dalle :

se mis ,

se mis

ove si è posto :

(20)

Dalla

(7.9)

segue :

e

quindi

per

quasi

tutti i numeri t

z,

Ne segue immediatamente la

(7.5).

Inoltre,

dalla

(7.5)

segue pure per il Teor. IX:

Dalle

(7.3)

e dal Teorema di semicontinuità segue

poi :

Tenendo conto della

(2.12),

si trova :

D’altra

parte,

per le

(7.1), (7.4), (7.2),

si ha :

Confrontando le

(7.14), (7.12), (7.15)

e ricordando le

(3.4)

e

(3.5),

si ha:

Confrontando infine le

(7.12), (7.~.5)~ (7.16)

con le

(3.4)

e

(3.5)

si ottie-

ne il teorema. c.v.d.

(21)

TEOREMA XVI. Nelle

ipotesi

ercunciate all’inizio del n.

7, l’origine

0 dello

spazio

Rn è

punto singolare

della

frontiera

orientata di

L,

9 cioé :

DIMOSTRAZIONE. Per le

(3.16)

e per la

(7.4),

se è verificata la condizione :

deve essere :

ove a

(n)

è una costante che

dipende

solo dalla dimensione dello

spazio.

Dato ora un numero

positivo t --- t,

per le

(7.1), (7.2)

avremo:

per h

abbastanza

grande.

Dalle

(7.19)

si deduce

allora,

sempre

per h

abbastanza

grande :

Dalla

(7.21),

ricordando le

(7.5), (7.7)

del Teorema XV e la formula

(2.16),

si ricava :

per

quasi ogni t positivo

r.

Dalle

(7.22)

segue subito la

(7.17); infatti,

se

l’origine

non

apparte-

nesse ad

9e E,

avremmo :

(22)

se

l’origine appartenesse

ad

9-*

E avremmo :

c.v.d.

TEOREMA XVII. Nelle

ipotesi già

enunciate all’inizio del nO

7,

esiste un

insieme N C R di misura lineare nulla tale

che, nell’ipotesi :

sia :

DIMOSTRAZIONE. Detto t un numero

positivo

tale che sia verificata la :

e

posto,

per

per il Teor.

XI,

avremo

che g (z)

è una funzione non decrescente e

quindi

esiste il

Ricordando la

(7.7)

e la

(5.15)

si trova :

per

quasi

tutti i numeri

positivi t

T.

Dalla

(7.30)

e dal Teor. X segue la

(7.26)

che dimostra il teorema. c.v,d.

La

(7.26)

ci assicura che L

è,

a meno di insiemi di misura

nulla,

l’in-

tersezione di un cono con vertice

nell’origine

e di una sfera di centro nel-

l’origine ;

infatti .L è

equivalente

all’insieme L* ottenuto fissando un numero

(23)

Lo che verifica le

(7.25)

e

ponendo :

per

per

Possiamo

perciò

concludere con il

seguente :

TEOREMA XVIII. rSe E è un insieme di

Caccioppoli

di

Rn ,

9 A è un

aperto, $

è un

punto

di

R",

e sono

verificate

le :

allora esiste un insieme

L*,

intersezione di un cono con il vertice

nell’origine

e di una

sfera

di centro

nell’origi-rce

e di

raggio positivo

z, tale

che,

per t z risulti :

ed inoltre

l’origine

sia

punto singolare

per la

frontiera

orientata di

L*,

cioè :

In successivi lavori mostreremo come

questo

teorema

permette

di esclu-

dere,

in molti casi

interessanti,

la esistenza di

punti singolari

di frontiere

orientate di misura minima.

(24)

BIBLIOGRAFIA

[1] R. CACCIOPPOLI: Misura ed integrazione sugli insiemi dimensionalmente orientati, Rend.

Acc. Naz. dei Lincei, VIII, vol. 12, fasc. 1-2 (1952).

[2]

E. DE GIORGI : Su una teoria generale della misura (r 2014 1)-dimensionale in uno spazio ad

r dimensioni. Annali di Matematica. Serie IV, Vol. 36, (1954).

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E. DE GIORGI : Nuovi teoremi relativi alle misure (r 20141)-dimensionali in uno spazio ad

r dimensioni. Ricerche di Matematica. Vol. IV, (1955).

[4]

E. DE GIORGI : Complementi alla teoria della misura (n 20141)-dimensionale in uno spazio

n-dimensionale Seminario di Matematica. Scuola Normale Superiore di Pisa (1960-61).

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E. DE GIORGI: Frontiere orientate di misura minima. Seminario di Matematica. Scuola Normale Superiore di Pisa (1960-61).

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H. FEDERER : Measure and area. Bull. of the Am. Math. Soc. Vol. 58 (1952) pag. 306-378.

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H. FEDERER - W. H. FLEMING : Normal and Integral Currents. Annals of Mathematics,

Vol. 72, 3, (1960).

[9]

E. R. REIFENBERG : The Plateau Problem. Acta Mathematica, 104 : 1, 2 (1960).

[10]

W. H. FLEMING: On the oriented Plateau Problem. Amer. Math. Soc. Vol. 8, 3, (1961).

Références

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